21.2 Ecuaciones nucleares

Tipos de partículas en las reacciones nucleares

En las reacciones nucleares intervienen muchas entidades. Las más comunes son los protones, los neutrones, las partículas alfa, las partículas beta, los positrones y los rayos gama, como se muestra en la Figura 21.4. Los protones $({}_1^1\text{p},$ que también se representan con el símbolo ${}_1^1\text{H})$ y los neutrones $\left({}_0^1\text{n}\right)$ son los constituyentes de los núcleos atómicos, y se han descrito anteriormente. Las partículas alfa $({}_2^4\text{He},$ que también se representan con el símbolo ${}_2^4\text{α})$ son núcleos de helio de alta energía. Las partículas beta $({}_{-1}^0\text{β},$ que también se representan con el símbolo ${}_{-1}^0\text{e})$ son electrones de alta energía, y los rayos gama son fotones de radiación electromagnética con energía extremadamente elevada. Los positrones $({}_{\mathrm{+1}}^0\text{e},$ que también se representan con el símbolo ${}_{\mathrm{+1}}^0\text{β})$ son electrones con carga positiva ("antielectrones"). Los subíndices y superíndices son necesarios para equilibrar las ecuaciones nucleares, aunque son opcionales en otras circunstancias. Por ejemplo, una partícula alfa es un núcleo de helio (He) con una carga de +2 y un número de masa de 4, por lo que se simboliza ${}_2^4\text{He}.$ Esto funciona porque, en general, la carga del ion no es importante en el equilibrio de las ecuaciones nucleares.

Figura 21.4 Aunque se encuentran muchas especies en las reacciones nucleares, esta tabla resume los nombres, símbolos, representaciones y descripciones de las más comunes.

Observe que los positrones son exactamente como los electrones, salvo que tienen la carga opuesta. Son el ejemplo más común de antimateria: partículas con la misma masa, pero con el estado opuesto de otra propiedad (por ejemplo, la carga) que la materia ordinaria. Cuando la antimateria se encuentra con la materia ordinaria, ambas se aniquilan y su masa se convierte en energía en forma de rayos gama (γ) (y otras partículas subnucleares mucho más pequeñas, que están fuera del alcance de este capítulo), según la ecuación de equivalencia entre masa y energía E = mc², vista en la sección anterior. Por ejemplo, cuando un positrón y un electrón colisionan, ambos se aniquilan y se crean dos fotones de rayos gama:

Como se ha visto en el capítulo dedicado a la luz y la radiación electromagnética, los rayos gama componen una radiación electromagnética de corta longitud de onda y alta energía y son (mucho) más energéticos que los más conocidos rayos X, que se comportan como partículas en el sentido de la dualidad onda-partícula. Los rayos gama son un tipo de radiación electromagnética de alta energía que se produce cuando un núcleo experimenta una transición de un estado energético superior a otro inferior, de forma similar a como se produce un fotón por una transición electrónica de un nivel energético superior a otro inferior. Debido a las diferencias energéticas mucho mayores entre las capas de energía nuclear, los rayos gama que emanan de un núcleo tienen energías millones de veces mayores que la radiación electromagnética que emana de las transiciones electrónicas.

Equilibrio de las reacciones nucleares

La ecuación de reacción química balanceada refleja el hecho de que, durante la reacción química, se rompen y se forman enlaces y se reordenan los átomos, pero el número total de átomos de cada elemento se conserva y no cambia. Una ecuación de reacción nuclear balanceada indica que hay un reordenamiento durante una reacción nuclear, pero de nucleones (partículas subatómicas dentro de los núcleos de los átomos) en lugar de átomos. Las reacciones nucleares también siguen las leyes de conservación, y se equilibran de dos maneras:

1. La suma de los números de masa de los reactivos es igual a la suma de los números de masa de los productos.
2. La suma de las cargas de los reactivos es igual a la suma de las cargas de los productos.

Si se conoce el número atómico y el número de masa de todas las partículas de una reacción nuclear menos una, podemos identificar la partícula al equilibrar la reacción. Por ejemplo, podríamos determinar que ${}_8^{17}\text{O}$ es un producto de la reacción nuclear de ${}_7^{14}\text{N}$ y ${}_2^4\text{He}$ si supiéramos que un protón, ${}_1^1\text{H},$ era uno de los dos productos. La Ejemplo 21.4 muestra cómo podemos identificar un nucleido al equilibrar la reacción nuclear.

A continuación, se presentan las ecuaciones de varias reacciones nucleares que tienen un papel importante en la historia de la química nuclear:

• El primer elemento inestable de origen natural que se aisló, el polonio, fue descubierto por la científica polaca Marie Curie y su marido Pierre en 1898. Decae y emite partículas α:
  
  $${}_{84}^{212}\text{Po}⟶{}_{82}^{208}\text{Pb}+{}_2^4\text{He}$$
• El primer nucleido que se preparó por medios artificiales fue un isótopo del oxígeno, el ¹⁷O. Lo hizo Ernest Rutherford en 1919 mediante el bombardeo de átomos de nitrógeno con partículas α:
  
  $${}_7^{14}\text{N}+{}_2^4\text{He}⟶{}_8^{17}\text{O}+{}_1^1\text{H}$$
• James Chadwick descubrió el neutrón en 1932, como una partícula neutra hasta entonces desconocida, producida junto con el ¹²C mediante la reacción nuclear entre ⁹Be y ⁴He:
  
  $${}_4^9\text{Be}+{}_2^4\text{He}⟶{}_6^{12}\text{C}+{}_0^1\text{n}$$
• El primer elemento que se preparó y que no se da de forma natural en la Tierra, el tecnecio, lo crearon mediante el bombardeo del molibdeno con deuterones (hidrógeno pesado, ${}_1^2\text{H})$, Emilio Segre y Carlo Perrier en 1937:
  
  $${}_1^2\text{H}+{}_{42}^{97}\text{Mo}⟶2{}_0^1\text{n}+{}_{43}^{97}\text{Tc}$$
• La primera reacción nuclear en cadena controlada se llevó a cabo en un reactor de la Universidad de Chicago en 1942. Una de las muchas reacciones fue:
  
  $${}_{92}^{235}\text{U}+{}_0^1\text{n}⟶{}_{35}^{87}\text{Br}+{}_{57}^{146}\text{La}+3{}_0^1\text{n}$$